LN2000分散性控制系统抗恶劣环境的结构设计与实现

孙 玮，石金宝，王学厚，吕曦晨
（山东电力研究院，山东 济南 250002）

摘要：对DCS中的硬件结构在恶劣环境下的使用情况进行分析，说明DCS系统在这一领域中的最新的进展。分析了DCS系统的热设计和可靠性设计的要点，在同PLC参照对比的情况下，结论是LN2000 DCS系统在恶劣环境下使用的可靠性完全可以达到（部分指标超过）PLC系统的标准，DCS的开放性（联网等）和人机界面的友好性等却远远高于PLC。
关键词：DCS；PLC；恶劣环境；结构设计
中图分类号：TP273            文献表识码：A             文章编号：1007-9904（2007）ZK-03-04
0  概述
目前，国内大型火电机组主机设备的控制已经普遍使用分散性控制系统（DCS）控制。运行人员在主控室内可以直接监控主机设备的运行状况。但是，外围系统（如：输煤、化学水处理、凝结水精处理、含煤废水处理、制氢站、工业废水处理、综合水泵房、除灰除渣、脱硫等）基本上还是采用PLC（可编程控制器）分别单独控制，例如设置化学水处理控制室、灰渣控制室、燃料控制室等。这是因为外围系统的工作环境一般比主控系统差的多，因此电厂的机组原先都使用能在恶劣环境下工作的PLC为外围辅控系统。而在电厂外围系统和化工行业等工业控制系统中用DCS取代PLC是一个发展趋势。这是因为DCS系统具有人机界面友好、通讯协议开放和联网方便等许多优点都是PLC不能相比的。特别是近年来，随着DCS系统价格的下降和可靠性的提高，竞争优势更加明显。
传统观念普遍认为：DCS系统一般在有空调的、清洁的机房内运行，而PLC则可以适应恶劣的工业环境。本文把DCS中的LN2000控制系统的硬件结构在恶劣环境下的使用情况做一个分析，以说明DCS系统在这一领域中的最新的进展。
1  LN2000控制系统可能长期处于的恶劣工业环境的分析
这些恶劣的工业环境可以分为机械条件和气候、生物、化学活性物质和机械作用物质等环境。在LN2000可能应用的领域中，有时可能会受到下列恶劣工业环境的影响：
⑴ 机械环境条件：振动，颠震。
⑵ 气候环境条件：温度，湿度。
⑶ 生物环境：空气中的霉菌等。
⑷ 化学活性物质环境：空气中的油雾及其它气体，如易燃气体等，即要求DCS有防爆要求。
⑸ 机械作用物质环境：空气中的砂、灰尘等。
⑹ 电磁环境。
为了能够使LN2000在上述恶劣的工业环境下正常运行，我们对LN2000控制系统做了针对性的结构设计：选定了机柜的散热形式、模件的结构、硬件的组成和接插件的设计选型等，比较好地解决了LN2000抗恶劣的工业环境下的正常运行的问题。
2  LN2000控制系统的热设计
LN2000控制系统的热设计是指对其电子元器件、组件以及整机的温升控制，使LN2000控制系统在规定的温度范围内正常工作。近年来，集成电路的集成度和设备组装密度日趋高密度度化，设备体积日益减小，致使设备单位表面密度不断增大。随着温度的增加，元器件的失效率将呈指数增长，又相应降低了设备的可靠性。因此，要保证LN2000控制系统参数的稳定性，提高LN2000控制系统的工作性能和可靠性，就必须采取控制温升的措施。
虽然控制温升的措施有很多，但是常用的基本方法仍然是自然散热和强迫对流两种，而且其热传递的方式基本上也只有三种：热传导，热对流和热辐射。在实际工程应用中，经常就是这三种方式共同作用的结果。因此，我们在LN2000控制系统的设计中，抓住了主要热设计参数，从而设计出了满足系统要求的最简单的热设计方案。
模件中主要的系统支持功能部件,采用高速CMOS工艺制成集成电路芯片，它具有高速、低功耗、大容量的特点，并降低了模件的发热量，从而取消冷却风扇等转动设备。在选择好元器件的基础上，电路设计对发挥出元器件最佳性能，实现低功耗起着决定性作用。在电路设计中用到了四个方面的低功耗设计策略。
首先是电源的设计。电源设计的是在系统中，采用高效、低功耗的DC/DC直流电源转换器件，避免了静态时大功耗等发热状态。同时对处于无谓等待或空闲的器件或电路采取关断电源来减少系统功耗的办法。另外，为了随时监测电源，还设置了电压采样监测信号，可根据电压状态产生系统报警和数据备份，增强系统的可靠性和实用性。
其次是对各个电路芯片的空置引脚的处理。对多余的非门、与非门的输入端接低电平，多余的与门、或非门的输入端接高电平，以防止输入端静电感应形成有效输入电平，造成逻辑状态无谓翻转，导致功耗异常。
再次,由于在CMOS电路中,当输入电压在转换电压附近时,PMOS管和NMOS同时导通,输出端状态不稳定,电路易产生振荡而形成功耗异常,因而有关的脉冲信号经过施密特触发电路整形后才输入微控制器。
最后是对电阻的选择。对于输入引脚需要上拉电阻来驱动的，如总线的数据线、OC门等，上拉电阻在能满足驱动能力的前提下，尽量选大，以减少在上拉电阻上消耗的功耗。对于电路中存在的其它电阻，如模件地址跳线拨动开关中的分压电阻等，也采取同样的措施。同时，在软件设计上，输出口尽量在闲态时将I/O口拉到高电平，特别是有上拉电阻的I/O口，可以减少在电阻上的能量损失。
通过采用上述措施，使得模件的静态功耗和动态功耗大大下降，在一般情况下，模件的平均热功耗低于960毫瓦，从而为模件外壳选用的全封闭式密闭结构奠定了基础。
3  LN2000控制系统硬件结构的可靠性设计
为了能使LN2000的DCS能够胜任在恶劣环境下的工作，我们对LN2000的DCS的硬件、软件和机柜结构进行了专门针对性的设计和开发。
模件的外壳选用金属外壳，模件的结构采用全封闭式密封结构；这样，模件内的电子元器件所释放的热量，通过传导、对流和辐射传递到模件机壳的外表面，再通过机柜外自然通风冷却散发到周围大气中。模件上的元器件全部使用极低功耗CMOS，降低模件的发热量，从而取消冷却风扇等转动设备。这种散热方式对于LN2000的模件及机柜等这些热流密度不高的设备来说，是最简单、最经济和最可靠地冷却方法。
模件的接插件全部使用PLC上用的、公认最好的德国菲尼克斯 （PHOENIX CONTACT）组合式接线端子。这里需要特别指出，PLC可以适应恶劣的工业环境的因素除了其抗干扰性能好、结构设计为全封闭式密封结构等等外，最关键的原因在PLC接插件是选用的类似德国菲尼克斯 （PHOENIX CONTACT）组合式接线端子。这种接插件是针式结构，针和座是360度的全方位接触，其可靠性大大高于普通DCS常用的板式接插件。板式接插件的针和座是180度的平面式接触。在恶劣的自然环境中，由于灰尘颗粒等因素，板式接插件在几年后很容易接触不良，而优质的针式接插件可以可靠的长期使用，就不存在这些问题。德国菲尼克斯 （PHOENIX CONTACT）组合式接线端子适应恶劣的工业环境的可靠性在其网站及说明书中有详细的数据说明，本文在这里就不在重述了。
提高DCS系统的可靠性，除了结构上的因素外，软件和硬件的设计也很重要。例如，看门狗（Watchdog）电路的设计、24V电源冗余、CAN总线冗余、DPU冗余、以太网络冗余、卡件冗余等等，因为不是本文讨论的重点，在这里就不一一涉及了。
图1为全封闭式密闭结构的模件示意照片。

图1  全封闭式密闭结构的模件示意照片

24V电源选用国内认可最好的全封闭式密封结构的“朝阳”牌的大功率开关电源。这种开关电源不使用强迫对流冷却，而采用热传导散热。因此，24V电源不带有冷却风扇，也就没有部件的转动磨损等易损部件。
单元控制器（DPU）中的中央处理器也使用低功耗、无风扇冷却的CPU等，也没有风扇等转动磨损的易损件。
由于机柜中的卡件、24V电源及DPU控制器等发热量很低，经实测，在环境温度为50℃，机柜在没有采取任何强迫对流的散热手段的情况下，机柜内长期的工作温度最高不超过63℃，完全可以保证DCS系统正常工作。所以，机柜结构取消了强制空气对流，为封闭式自然微量通风结构，同样也没有风扇等转动磨损的易损件；而且避免了灰尘颗粒对电子器件的影响和磨损，也避免了湿热对胶木和塑料等绝缘材料的电学性能的影响，同样避免了潮气对绝缘浸漆等涂料保护层的漏电等破坏作用以及避免了盐雾对金属与电镀产生腐蚀性的破坏作用。从有效防潮、防盐雾、防霉菌和防灰尘来讲，采用封闭式机柜应是较为行之有效的方案。很明显，不采用强制风冷的冷却手段，就没有外界与机柜进行空气的直接交换，也就不会形成空气中有害成分对电子设备造成危害。所以这种结构可以改善设备的工作环境，大大有利于提高设备的可靠性；在同等可靠性指标时，可降低对元器件等级的要求。
以上这些措施保证了DCS控制系统可以长期、可靠地在恶劣环境下工作。
图2为LN2000的机柜结构正面（打开柜门时）示意照片，图3为LN2000的机柜结构侧面示意照片。

图2  LN2000的机柜结构正面（打开柜门时）示意照片        图3  为LN2000的机柜结构侧面示意照片

4  LN2000控制系统在恶劣环境中的使用情况
事实证明上述设计和开发取得了很好的效果。我们在山东运河发电有限公司的两台330MW的#5和#6机组的外围系统中使用LN2000的DCS，通过以太网，一体化集中远动控制这两台机组的所有的外围系统：输煤、化学水处理、凝结水精处理、含煤废水处理、制氢站、工业废水处理、综合水泵房、除灰除渣、脱硫等。从而运行人员可以在主控室里监控锅炉、汽机和电气的同时，还监控外围系统的辅机的状况。这些外围系统的工作环境是非常恶劣的，多数外围系统的设备工作间没有空调，个别系统的工作环境灰尘飞扬。例如：控制灰库子系统工作的DCS，机柜和模件等表面完全被灰色的炉灰覆盖，有些部位已经看不到原色，但该控制系统长期以来一直工作正常。
LN2000的DCS系统结构设计是成功的，在恶劣环境下使用的可靠性完全可以达到（部分指标超过）PLC系统的标准，DCS的开放性（联网等）和人机界面的友好性等却远远高于PLC系统。

参考文献：
[1]  徐伯遐．抗恶劣环境电子设备机柜设计［J］．雷达与对抗，1998，1．

Design and realization of the Construction of a LN2000 Control System against adverse environment
Sun Wei，Shi Jin-bao，Wang Xue-hou，lv Xi-chen
( Shandong Electric Power Research Institute,Jinan,250002,China )

Abstract:  Through reaching on the hardware structure of LN2000 DCS used in adverse environment, we gave the latest development of DCS in this domain. We discussed on the main points of thermal design and reliability design of DCS. In contrast to PLC, we can draw a conclusion that the reliability of LN2000 DCS totally reached (partly even exceed)the standard of PLC system in adverse environment. Moreover,the openness(interconnection etc) and friendship of DCS extremely exceed PLC.
Keywords:  DCS; PLC; adverse environment; structure design